汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏體(ti)不銹鋼的超聲波探傷歷來是行業內重點研究內容。因為奧氏體組織本身晶粒度較大，會產生大量的干擾信號，給時域內超聲缺陷信號判斷帶來極大困難。本書將以短時傅里葉變換信號處理技術為基礎，簡要介紹奧氏體不銹鋼無縫鋼管裂紋缺陷的信號處理方法。
一、短時傅里葉變換
短(duan)時傅(fu)里葉變換的(de)實(shi)質(zhi)是一種加窗后的(de)移動傅(fu)里葉變換，假設有一信(xin)號s(t),其(qi)短(duan)時傅(fu)里葉變換的(de)定義如(ru)下：
根(gen)據式（4.9)~式（4.11),在某(mou)(mou)特定時(shi)刻b,用(yong)寬(kuan)度為2τ的時(shi)間(jian)(jian)窗截取(qu)信(xin)號(hao)(hao)s(t),對所得(de)信(xin)號(hao)(hao)做快(kuai)速傅里葉(xie)變換，可獲得(de)信(xin)號(hao)(hao)s(t)在特定時(shi)刻b的幅度譜(pu)，將時(shi)間(jian)(jian)窗后(hou)移，依次進(jin)行(xing)相同操作，最終得(de)到(dao)某(mou)(mou)一頻(pin)率的信(xin)號(hao)(hao)在整個信(xin)號(hao)(hao)有(you)效時(shi)間(jian)(jian)內的幅度譜(pu)，該方法稱為短(duan)時(shi)傅里葉(xie)變換。
1. 窗函數類型選(xuan)擇
對短時傅里葉變換(huan)而言，窗(chuang)函(han)數與窗(chuang)函(han)數寬度的(de)選擇是(shi)關鍵(jian)因素(su)，不同(tong)的(de)窗(chuang)函(han)數有各自的(de)頻(pin)(pin)率(lv)特性，窗(chuang)寬度的(de)選擇要(yao)同(tong)時考慮時間分辨率(lv)和頻(pin)(pin)率(lv)分辨率(lv)。
圖(tu)4.13為304奧氏體不(bu)銹鋼(gang)無縫(feng)管粗晶反射信(xin)(xin)號，反射信(xin)(xin)號長度為46個采樣點，按窗寬(kuan)度50個采樣點選擇不(bu)同(tong)窗函數分別做STFT處理。不(bu)同(tong)窗函數的STFT處理結果如圖(tu)4.14所示。
分析不同窗(chuang)(chuang)函數(shu)STFT圖(tu)，矩形窗(chuang)(chuang)、三角(jiao)形窗(chuang)(chuang)以及海(hai)明窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理后(hou)的信(xin)(xin)號(hao)粗糙，光順(shun)度不夠，信(xin)(xin)號(hao)峰值較(jiao)(jiao)難獲取，不宜(yi)采用(yong)；漢寧窗(chuang)(chuang)以及布萊(lai)克曼(man)窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理后(hou)的信(xin)(xin)號(hao)比(bi)較(jiao)(jiao)順(shun)滑，信(xin)(xin)號(hao)峰值較(jiao)(jiao)易(yi)確定。對比(bi)漢寧窗(chuang)(chuang)、布萊(lai)克曼(man)窗(chuang)(chuang)，漢寧窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理所得信(xin)(xin)號(hao)幅值較(jiao)(jiao)大，分辨精度較(jiao)(jiao)高，故選(xuan)擇該(gai)窗(chuang)(chuang)函數(shu)較(jiao)(jiao)為適宜(yi)。
2. 窗函數寬度選擇
分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度是短時(shi)傅(fu)里葉變換的(de)(de)一個重要(yao)參數，窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度的(de)(de)選擇決定能否正確分(fen)析(xi)(xi)出原(yuan)始信號中的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)變化(hua)情況(kuang)。分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度越(yue)(yue)(yue)窄，局部(bu)頻(pin)(pin)(pin)譜的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨率(lv)(lv)就越(yue)(yue)(yue)低(di)，時(shi)間(jian)(jian)分(fen)辨率(lv)(lv)就越(yue)(yue)(yue)高(gao)；相反，分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度越(yue)(yue)(yue)寬(kuan)，局部(bu)頻(pin)(pin)(pin)譜的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨率(lv)(lv)就越(yue)(yue)(yue)高(gao)，時(shi)間(jian)(jian)分(fen)辨率(lv)(lv)就越(yue)(yue)(yue)低(di)。因此(ci)需要(yao)找到一個合適的(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度，使得局部(bu)頻(pin)(pin)(pin)譜在(zai)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨率(lv)(lv)與時(shi)間(jian)(jian)分(fen)辨率(lv)(lv)達到最優效果。
采用漢(han)寧窗，選擇(ze)不同窗寬度對上述(shu)奧氏(shi)體(ti)不銹鋼粗晶反射信號做STFT處理，得到(dao)多個(ge)頻(pin)率的時(shi)間－幅值譜(pu)，其結果(guo)如圖4.15所(suo)示(shi)。
分(fen)析圖4.15a,當窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)等于(yu)超聲反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)時(shi)，處(chu)理結果的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)不足，其中(zhong)4MHz、5MHz單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)較難分(fen)辨(bian)；圖4.15b窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)增(zeng)加(jia)到(dao)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)1.2倍，單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)有所增(zeng)加(jia)；圖4.15c窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)為反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)1.5倍，單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)時(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)及頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)均達(da)到(dao)最(zui)優；圖4.15d窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)等于(yu)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)2倍，單頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)時(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)明顯降低。因此STFT處(chu)理的(de)(de)(de)窗(chuang)(chuang)(chuang)函數最(zui)佳寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)應在超聲反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)1.5倍左(zuo)右。
二、粗晶奧氏體不銹鋼管裂(lie)紋缺陷檢測
以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼無(wu)縫鋼管(guan)為基管(guan)，細晶試(shi)樣不(bu)做熱處理(li)，通過1280℃/4h的熱處理(li)工(gong)藝獲得粗(cu)晶試(shi)樣，分別在細晶和粗(cu)晶樣管(guan)上通過電火(huo)花加(jia)工(gong)人工(gong)缺陷(xian)長5mm、深(shen)0.2mm、寬0.2mm,檢測超(chao)聲(sheng)中(zhong)心頻率5MHz,超(chao)聲(sheng)檢測信號如(ru)圖4.16所示。
對上述信號做快(kuai)速傅(fu)里葉變換處理，得(de)到各自的時頻信號圖如圖4.17所示。
分析圖4.17,當(dang)頻率(lv)較(jiao)低(di)(di)時(shi)，通常低(di)(di)于4MHz情況下奧氏體不銹鋼(gang)樣管細晶(jing)－裂(lie)紋超聲信(xin)(xin)號時(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大(da)，粗晶(jing)無裂(lie)紋超聲信(xin)(xin)號時(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小；當(dang)頻率(lv)超過5MHz時(shi)，奧氏體不銹鋼(gang)樣管粗晶(jing)－裂(lie)紋超聲信(xin)(xin)號時(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大(da)，細晶(jing)－裂(lie)紋超聲信(xin)(xin)號時(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小。
上述差異(yi)表(biao)明超(chao)聲波與奧(ao)氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)裂紋或晶(jing)粒(li)(li)相互(hu)作(zuo)用(yong)后，裂紋和晶(jing)粒(li)(li)對(dui)超(chao)聲波某些頻(pin)(pin)率(lv)的抑制和增強作(zuo)用(yong)不(bu)(bu)(bu)(bu)同，回波信號的頻(pin)(pin)率(lv)成分會表(biao)現出差異(yi)，它體現在反射信號中不(bu)(bu)(bu)(bu)同頻(pin)(pin)率(lv)的相對(dui)幅值隨時間(jian)的變化規律不(bu)(bu)(bu)(bu)同，這代表(biao)著里面含有(you)(you)一定(ding)的有(you)(you)關(guan)奧(ao)氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)裂紋和晶(jing)粒(li)(li)的信息，對(dui)粗晶(jing)奧(ao)氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)(bu)銹(xiu)(xiu)鋼(gang)缺陷的超(chao)聲時域信號分辨提供(gong)了分析手段。
